WO2006008311A1 - Organisch gebundene trenn- oder schleifkörper mit einem funktionellen additiv - Google Patents

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WO2006008311A1 PCT/EP2005/053532 EP2005053532W WO2006008311A1 WO 2006008311 A1 WO2006008311 A1 WO 2006008311A1 EP 2005053532 W EP2005053532 W EP 2005053532W WO 2006008311 A1 WO2006008311 A1 WO 2006008311A1
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Josef Kofler
Otto Lach
Gerd Six
Peter Faullant
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Chemetall Ges.M.B.H.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D7/00—Bonded abrasive wheels, or wheels with inserted abrasive blocks, designed for acting otherwise than only by their periphery, e.g. by the front face; Bushings or mountings therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D3/00—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents
    • B24D3/34—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents characterised by additives enhancing special physical properties, e.g. wear resistance, electric conductivity, self-cleaning properties
    • B24D3/342—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents characterised by additives enhancing special physical properties, e.g. wear resistance, electric conductivity, self-cleaning properties incorporated in the bonding agent
    • B24D3/344—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents characterised by additives enhancing special physical properties, e.g. wear resistance, electric conductivity, self-cleaning properties incorporated in the bonding agent the bonding agent being organic

Definitions

  • the object of the present invention was to develop new release or abrasive articles, which have improved life and give a processing surface, free of scaling, tarnish and free of impurities with S and Cl etc. are.
  • the abrasives, binders and fillers used should be environmentally friendly, especially non-toxic and non-hygroscopic, and it should be the presence of iron, sulfur and chlorine avoided.
  • the functional filler of the invention may comprise two to seven metals independently selected from the group consisting of metals of the first and second main group of the periodic table (IUPAC), Sn, Bi, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Ni, Cu, Ag , Zn and Al are selected.
  • IUPAC periodic table
  • abrasive compositions prepared according to the methods described above will depend on the application, with or without additional reinforcing elements (glass fiber mats as reinforcement, etc.) pressed with varying pressures to cutting or abrasive blanks and cured in a separate curing chambers in a temperature range from 150 0 C to 250 0 C. ,
  • the binder used in the process of the present invention is preferably a mixture of liquid and powdered phenolic resins.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen organisch gebundenen Trenn- oder Schleifkörper, der a. mindestens ein Bindemittel; b. mindestens einen teilchenförmigen Abrasivstoff; c. mindestens einen teilchenförmigen funktionellen Füllstoff umfasst, wobei das Bindemittel den teilchenförmigen Abrasivstoff und den teilchenförmigen funktionellen Füllstoff umschließt und wobei der funktionelle Füllstoff mindestens zwei Metalle umfasst, die eine schmelzflüssige Phase in einem Temperaturbereich von 100 bis 300°C bilden.

Description

Organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper mit einem funktionellen Additiv
Die vorliegende Erfindung betrifft organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper, die ein funktionelles Additiv in Form eines funktionellen Füllstoffes enthalten, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und die Verwendung des funktionellen Füllstoffes zur Herstellung solcher Körper.
Im Stand der Technik bekannte organisch gebundene Schleifkörper, z.B. Trenn- und Schleifscheiben, sind in den meisten Fällen kunstharzgebunden und enthalten als wesentliche Komponenten Abrasivstoffe, Füllstoffe sowie unterschiedliche Bindemittel.
Dabei werden als Abrasivstoffe z.B. Korunde, Oxide, Carbide, Nitride oder Diamant verwendet. Als Bindemittel werden in der Regel Polykondensate eingesetzt, häufig z.B. Phenolharze.
Der Gruppe der Füllstoffe kommt in diesen Systemen eine besondere Bedeutung zu. Dabei unterscheidet man zwischen inaktiven Füllstoffen und funktionellen Füllstoffen.
Die Hauptaufgabe der funktionellen Füllstoffe ist die Verlängerung der Standzeit der Trenn- oder Schleifscheibe (hoher G-Faktor) und die Verringerung der Temperaturbelastung (Anlassfarbbildung, Gefügeumwandlungen, etc.) des zu bearbeitenden Werkstücks. Idealerweise wird ein blanker Schnitt des Werkstückes gefordert.
Inaktive Füllstoffe erhöhen die Zähigkeit und Festigkeit des Kunstharzproduktes. Dazu zählen neben Carbonaten wie z.B. Calciumcarbonat auch Tone, Silikate, Oxide, Carbide usw. Funktionelle Füllstoffe verändern sich beim Schleif- und Trennvorgang und wirken daher entweder physikalisch (wie z.B. Kryolith) oder chemisch (wie z.B. Pyrit) . Zu diesen Vorgängen, die bei der Anwendung im Trenn- und Schleifvorgang gleichzeitig oder nacheinander auftreten können, zählen u.a. die Herabsetzung des Reibwiderstandes und die Minderung der Trenn-/Schleifkräfte zwischen Schleifkörper und Werkstück durch Ausbildung eines Primärfilms bzw. durch Ausbildung eines Sekundärfilms, der auf Umsetzungs- oder Zersetzungsprodukte der funktionellen Füllstoffe zurückzuführen ist.
Zudem ist als Stand der Technik bekannt, dass durch die Verwendung der funktionellen Füllstoffe die Kornzerstörung durch Diffusion (z.B. Spinellbildung) durch die Ausbildung von Oberflächenfilmen auf Korn und Werkstück vermieden werden kann. Des weiteren kann durch die Ausbildung von Oberflächenfilmen auf dem Schleifkorn die Kornbelegung mit Metallen und die damit verbundene Reduktion der Schnittigkeit der Schleifscheibe (Kornabstumpfung) vermieden werden, und ein zusätzlicher Schutz vor Oxidbildung am Werkstück (Blaufärbung) durch chemische Reaktion mit der neu entstandenen Metalloberfläche bewirkt werden. Des weiteren kann ebenfalls die thermische Zersetzung der Kunstharzmatrix vermindert werden.
Im US-Patent 2,243,105 wird ein Schleifgegenstand offenbart, der neben Diamantpulver als Abrasivstoff und einem organischen Harz ein Metallpulver aus Kupfer und gegebenenfalls Zinnpulver verwendet. Die Zugabe des Metallpulvers soll zu einer erhöhten Festigkeit des Schleifgegenstandes und besseren Wärmeableitung an der Kontaktfläche aufgrund des hohen Metallgehaltes führen. Das US-Patent 3,283,448 beschreibt ebenfalls einen organisch gebundenen Schleifgegenstand. Hierbei werden neben dem Abrasivstoff und dem organischen Rohstoff Metallpulver verwendet, die aus Kupfer, Aluminium oder Silber ausgewählt werden, um dem Schleifgegenstand eine hohe elektrische Leitfähigkeit für das elektrolytische Schleifen zu verleihen.
Im US-Patent 3,984,214 wird, neben der Verwendung von herkömmlichen Bestandteilen eines Abrasivwerkzeuges, eine metallische Beschichtung des Abrasivstoffes aus wenigstens einem Metallpulver mit hohem Siedepunkt (z.B. Silber, Kupfer, Cadmium, etc.) und wenigstens einem Metallpulver mit einem niedrigen Siedepunkt (z.B. Zink, Bismut, Zinn, etc.) eingesetzt, um verlängerte Standzeiten des Schleifkörpers zu erzielen.
In US-Patent 4,042,347 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Schleifscheibe beschrieben, die neben den Abrasivstoffen eine Metallmatrix aus wenigstens zwei Metallen enthält. Die Metalle können dabei u.a. aus Kobalt, Eisen oder Kupfer ausgewählt werden und führen zu einer hochschmelzenden Legierung, die eine erhöhte Festigkeit der Schleifscheibe ergibt.
Die Japanische Patentanmeldung JP 2002307313 offenbart eine Schleifscheibe aus einer Mischung eines Polybenzimidazolharzes und wenigstens einem Metall. Die Schleifscheibe wird bei Temperaturen von 500 bis 6500C hergestellt und zeichnet sich durch verbesserte Schleifeigenschaften aus.
In der Patentliteratur ist die Verwendung zahlreicher funktioneller Füllstoffe zur Verbesserung der Standzeiten und Schleifeigenschaften der Schleifkörper beschrieben. Diese funktionellen Füllstoffe können in der industriellen Fertigung nur eingeschränkt oder überhaupt nicht eingesetzt werden.
Die Ursachen für diese begrenzten Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig: ein hoher Preis (z.B. Molybdändisulfid, etc.), die Toxizität der Verbindungen (z.B. Bleiverbindung, etc.), eine ausgeprägte Hygroskopizität (z.B. Manganchlorid), die die Verarbeitung der Substanzen stark erschwert bzw. die Lagerfähigkeit (Lagerstabilität) der Produkte begrenzt, hohe
Wasserlöslichkeit (z.B. bestimmte Halogenidverbindungen) und die damit verbundene Problematik der Deponierbarkeit von
Schleifabfallen, sowie die vermutete Bildung von giftigen
(organischen) Zersetzungsprodukten beim Einsatz der Schleifmittel.
Die stahlverarbeitende Industrie fordert zudem vermehrt den Einsatz von chlor-, schwefel- und eisenfreien Schleifkörpern, damit unter anderem das bestehende Korrosionsrisiko vermindert wird (Spannungsrissrisiko) .
Dies führt dazu, dass zahlreiche ökologisch unproblematische und ökonomisch vertretbare Stoffe wie z.B. Zinksulfid, Pyrit etc. für den Einsatz in kunstharzgebundenen Schleifkörpern nur bedingt zum Einsatz kommen können. Stattdessen wird häufig Natriumkryolith (Na3AlF6) eingesetzt, der zwar die technischen Anforderungen der stahlverarbeitenden Industrie erfüllt, jedoch giftig ist.
Ausgehend von den oben beschriebenen Nachteilen im Stand der Technik bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, neue Trenn- oder Schleifkörper zu entwickeln, die verbesserte Standzeiten aufweisen und eine Bearbeitungsoberfläche ergeben, die frei von Verzunderung, Anlauffarben sowie frei von Verunreinigungen mit S und Cl etc. sind. Dabei sollen die verwendeten Abrasivstoffe, Bindemittel und Füllstoffe umweltverträglich sein, insbesondere auch ungiftig und nicht hygroskopisch sein, und es soll die Anwesenheit von Eisen, Schwefel und Chlor vermieden werden.
Die oben beschriebene Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird überraschenderweise gelöst durch die Bereitstellung eines organisch gebundenen Trenn- oder Schleifkörpers, der umfasst: a. mindestens ein Bindemittel; b. mindestens einen teilchenförmigen Abrasivstoff; c. mindestens einen teilchenförmigen funktionellen Füllstoff; wobei das Bindemittel den teilchenförmigen Abrasivstoff und den teilchenförmigen funktionellen Füllstoff umschließt und wobei der funktionelle Füllstoff mindestens zwei Metalle umfasst, die eine schmelzflüssige Phase in einem Temperaturbereich von 100 bis 3000C bilden.
Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst dabei vorzugsweise a) 3 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 15 Gew.-% mindestens eines Bindemittels; b) 50 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 80 Gew.-% mindestens eines teilchenförmigen Abrasivstoffes; c) 1 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 25 Gew.-% mindestens eines teilchenförmigen funktionellen Füllstoffes, und d) gegebenenfalls bis zu 15 Gew.-% eines inaktiven Füllstoffes, wobei die Inhaltsstoffe a) bis d) zusammen 100 Gew.% ergeben.
Die oben aufgeführten Mengenangaben bestimmen das Leistungsverhalten der Trenn- oder Schleifkörper. Der erfindungsgemäße funktionelle Füllstoff kann zwei bis sieben Metalle umfassen, die unabhängig aus der Gruppe, die aus Metallen der ersten und zweiten Hauptgruppe des Periodensystems (IUPAC) , Sn, Bi, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Ni, Cu, Ag, Zn und Al besteht, ausgewählt werden. Entscheidend für die Zusammensetzung des funktionellen Füllstoffs ist dabei, dass das teilchenförmige Metallgemisch eine schmelzflüssige Phase in einem Temperaturbereich von 100 bis 3000C bildet. Vorzugsweise bilden die Metalle eine schmelzflüssige Phase in einem Temperaturbereich von 115 bis 2500C, bevorzugter in einem Temperaturbereich von 130 bis 2200C aus.
In einer besonderen Ausführungsform weist die schmelzflüssige Phase eine eutektische Temperatur, bevorzugt im Bereich von 1300C bis 2200C auf. Durch die Verwendung eines Metallgemisches, welches ein eutektisches System bildet, kann die Schmelztemperatur der teilchenförmigen funktionellen Füllstoffes in besonderem Maße herabgesetzt werden, wobei sich dadurch die schmelzflüssige Phase der erfindungsgemäßen Trenn- oder Schleifkörper in einem frühen Stadium des Trenn¬ oder Schleifprozesses, bei noch niedrigeren Temperaturen ausbilden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der funktionelle Füllstoff mindestens die Metalle Zinn und/oder Bismut.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der funktionelle Füllstoff Zinn und 1 bis 6 weitere Metalle, die unabhängig voneinander aus der ersten oder zweiten Hauptgruppe des Periodensystems (IUPAC) und Bi, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Ni, Cu, Ag, Zn und Al ausgewählt werden, wobei alle Metalle des funktionellen Füllstoffs zusammen 100 Gewichtsprozent ergeben.
Ein Beispiel für einen funktionellen Füllstoff in Form eines ternären Metallsystems ist Sn95.5Ag4.0Cu0.5.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält der funktionelle Füllstoff das Metallsystem SnxBiy und bis zu 5 weitere Metalle, wobei x eine ganze Zahl zwischen 1 und 99 ist und y eine ganze Zahl zwischen 99 und 1 ist und jedes der bis zu 5 weiteren Metalle in einem Prozentsatz von 0 bis 99 enthalten sein kann, wobei alle Metalle des funktionellen Füllstoffs zusammen 100 Gewichtsprozent ergeben.
Die Wirkungsweise dieser Legierung als funktioneller Füllstoff beruht auf der Bildung einer schmelzflüssigen Phase in diesem ZweistoffSystem in einem Temperaturbereich von 139 bis 271°C. Die Wahl der jeweiligen Legierungszusammensetzung hängt hierbei von dem zu bearbeitenden Werkstoff ab.
Als besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat sich die Verwendung einer Zinn-Bismut-Legierung als funktionellem Füllstoff in einer Zusammensetzung herausgestellt, bei der das ZweistoffSystem mit einem Bi- Gehalt > 20 Gew.-% eine schmelzflüssige Phase bei der eutektischen Temperatur von 1390C ausbildet. Im Zuge der Entwicklung wurde erkannt und durch Testserien bewiesen, dass diese schmelzflüssige Phase sowohl den Aushärteprozess als auch den Schleif- und/oder Trennprozess positiv beeinflusst.
Durch das Legieren der Bi/Sn-Legierung mit weiteren Metallen kann die Schmelztemperatur noch weiter beeinflusst und der positive Effekt gesteigert werden. Mögliche weitere Legierungsmetalle können zum Beispiel unabhängig voneinander aus der ersten oder zweiten Gruppe des
Periodensystems (IUPAC), bevorzugt aus Magnesium oder aus den
Elementen Kupfer, Silber, Mangan, Nickel, Magnesium, Zink, Chrom, Titan, Molybdän, Aluminium oder Wolfram ausgewählt werden. Bevorzugt sind Silber, Kupfer und Mangan. Bevorzugt sind neben Zwei- vor allem Drei- und Vierstoff-Systeme. Ein beispielhaftes VierstoffSystem ist Sn93.5Ag3.5Cuo.7Bi2.3
(Schmelzpunkt: 219°C) . Neben den bereits erwähnten VierstoffSystemen sind allerdings auch Systeme aus mehr als vier Einzelkomponenten für den funktionellen Inhaltsstoff möglich.
Der Einsatz von MehrstoffSystemen ist gemäß der vorliegenden Erfindung dann möglich, wenn sich bei diesen Systemen eine schmelzflüssige Phase in einem Temperaturbereich von 100 bis
3000C, bevorzugt von 115 bis 2500C, bevorzugter in einem
Temperaturbereich von 130 bis 2200C ausbilden kann. Bevorzugt sind dabei Zusammensetzungen in der Nähe der eutektischen Temperatur der verwendeten Gemische, um einen möglichst großen Anteil an schmelzflüssiger Phase zu erhalten.
Erfindungsgemäß liegen die Metalle Zinn und Bismut in dem organisch gebundenen Trenn- und Schleifkörper in für den jeweiligen Gebrauch geeigneten Verhältnissen zueinander vor. Es hat sich herausgestellt, dass das Verhältnis von Zinn zu Bismut in einem weiten Bereich variiert werden kann, ohne das die erfindungsgemäßen Trenn- oder Schleifkörper ihre überragenden Eigenschaften verlieren. So können Zinn und Bismut in einem Verhältnis von 99:1 bis 1:99, bevorzugt in einem Verhältnis von 25:1 bis 1:25 vorliegen.
Der funktionelle Füllstoff wird bevorzugt in Teilchenform verwendet. Darunter ist zu verstehen, dass der funktionelle Füllstoff keine kompakte Einheit bildet, sondern in getrennt voneinander vorliegenden Teilchen im unten genannten Größenbereich vorliegt. Dadurch kann eine optimale Durchmischung im Bindemittel und somit eine optimale Benetzung des Abrasivstoffes mit dem funktionellen Füllstoff gewährleistet werden, um die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Trenn- oder Schleifscheiben bereitzustellen. Die Metalle des funktionellen Füllstoffes werden dabei als Pulvergemische oder in Form von Legierungen verwendet.
Idealerweise hat der teilchenförmige funktionelle Füllstoff der Zinn-Bismut-Legierungen eine Teilchengröße von kleiner 70 μm, bevorzugt kleiner 60 μm und am bevorzugtesten kleiner 45 μm. Bevorzugt haben mehr als 90% der Teilchen die oben aufgeführte Teilchengröße, bevorzugter mehr als 95%. Es hat sich herausgestellt, dass die Kornform des funktionellen Füllstoffs keinen Einfluss auf das Schleifergebnis hat.
Erfindungsgemäß wird in dem organisch gebundenen Trenn- und Schleifkörper mindestens ein teilchenförmiger Abrasivstoff verwendet. Unter einem Abrasivstoff im Sinne der Erfindung versteht man einen Stoff, der zur Abtragung bzw. Entfernung des Werkstoffes geeignet ist. Derartige Abrasivstoffe sind im Stand der Technik bekannt. In der vorliegenden Erfindung wird der Abrasivstoff bevorzugt aus der Gruppe, die aus einem Diamant, einem Oxid (z.B. Korund), einem Carbid (z.B. Siliciumcarbid) , einem Nitrid (z.B. kubisches Bornitrid), Hartkeramiken, metallischen oder keramischen Hartstoffen und Mischungen davon besteht, ausgewählt. Weitere, im Stand der Technik bekannten Abrasivstoffe sind einsetzbar.
Die GröQ)θ des τ.eilchen±ö^"nigen Abrasivstoffes beeir.flusst die Aotragsleistuig und die erzielbεre Oberflächen- bzw. Scr_neidenq;..3lir.ät . Dabei wird die Größe des verwendeten Abrasivstoffes nach den zu bearbeitenden Werkstoffen bzw. der Bearbeitungsart (Trennen, Schleifen, Polieren, etc.) ausgewählt, d.h. jede für den zu bearbeitenden Werkstoff geeignete Korngröße ist verwendbar. Bevorzugt liegt die Korngröße des teilchenförmigen Abrasivstoffes der vorliegenden Erfindung in einem Größenbereich von 50 bis 1000 μm.
Der erfindungsgemäße organische gebundene Trenn- oder Schleifkörper enthält zudem mindestens ein Bindemittel. Das Bindmittel dient dazu, den Abrasivstoff und den funktionellen Füllstoff im Trenn- oder Schleifkörper zu umschließen und möglichst lange festzuhalten, sich aber auch so abzunützen, dass in der Folge des Abspanprozesses die Spitzen des Abrasivstoffes ständig frei schneiden können. Erfindungsgemäß ist das Bindemittel ein organisches Bindemittel. Unter einem organischen Bindemittel im Sinne der Erfindung versteht man eine polymere Verbindung, die durch herkömmliche Polymerisationsverfahren hergestellt werden kann. Zu den gewöhnlichen Polymerisationsverfahren gehören die Polykondensation, die radikalische Polymerisation sowie die anionische bzw. kationische Polymerisation. Ein gut an die Schleifaufgäbe anzupassendes Bindemittel ist ein Kunstharz. Bevorzugt wird ein Phenolharz, insbesondere ein Phenol- Formaldehydharz verwendet. Andere temperaturbeständige Polymere als Phenolharze, wie z.B. Epoxidharze, Imide, etc., sind als zu verwendende Bindemittel einsetzbar.
Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper kann zudem zusätzlich neben den oben genannten Inhaltsstoffen einen inaktiven Füllstoff enthalten. Der inaktive Füllstoff wird aus der im Stand der Technik bekannten Gruppe, die aus Carbonaten, Tonen, Oxiden, Carbiden, Silikaten und Mischungen davon besteht, ausgewählt. Beispiele solcher inaktive Füllstoffe sind Calciumcarbonat, Kaolin, Calciumoxid, Alumosilikate, Feldspäte, Kieselerde und Glas.
Zusätzlich kann der erfindungsgemäße Trenn- oder Schleifkörper ein oder mehrere Verstärkungselemente enthalten. Diese Verstärkungselemente können dem Trenn- oder Schleifkörper eine zusätzliche Festigkeit und Steifheit verleihen. Beispiele solcher Verstärkungselemente sind Glasfasermatten, Kohlefasern, Whiskers und Mineralfasern.
Unter einem Trenn- oder Schleifkörper im Sinne der Erfindung ist jede geometrische Form von Trenn- oder Schleifkörpern gemeint. Die Form der Trenn- oder Schleifkörper muss auf die Geometrie der Werkstücke abgestimmt sein, so dass alle Konturen erreicht werden können und keine Verklemmungen entstehen. Als Formen kommen Scheiben, Dreiecke, Winkel, Rhomben, Zylinder, Kegel etc. in betracht. Besonders bevorzugt sind Scheiben.
Die erfindungsgemäßen funktionellen Füllstoffe zeigen Auswirkungen auf den Aushärteprozess bei der Herstellung der Trenn- oder Schleifkörper. So kann ein geändertes Fließverhalten der Bindungsmatrix während des Aushärteprozesses beobachtet werden. Zudem ist ein „Verschmelzen" der Füllstoffe untereinander und mit der Phenol-Formaldehyd Bindung des Bindemittels zu erkennen.
Dabei haben die Untersuchungen der Erfinder ergeben, dass durch die Verwendung des erfindungsgemäßen teilchenförmigen funktionellen Füllstoff und der damit verbundenen Ausbildung einer schmelzflüssigen Phase zwischen Schleifkörper und Werkstück die Standzeit des erfindungsgemäßen Trenn- oder Schleifkörpers sowie der Schutz des Schleifkorns (Abrasivstoffes) als auch die thermische Belastung des Werkstückes verbessert wird.
Des weiteren zeigen sich Auswirkungen des erfindungsgemäßen funktionellen Füllstoffes auf den Trennprozess . Neben einem endothermen Phasenübergang fest-flüssig ist die Herabsetzung des Reibwiderstandes durch die Bildung eines flüssigen Films, d.h. einer schmelzflüssigen Phase, ermöglicht. Diese Eigenschaften bewirken eine Reduktion der thermischen Belastung des Werkstückes, wodurch Gefügeveränderungen, Anlassfarbbildung und schädigende Eigenspannungen auf technologisch vertretbare Werte herabgesetzt werden. Die schmelzflüssige Phase schützt zusätzlich den Abrasivstoff vor der Belegung mit Metall und Schleifabrieb und somit vor Reduktion der Schnittigkeit. Zudem schützt die schmelzflüssige Phase die organische Bindungsmatrix und das Werkstück vor Oxidation. Die Bildung der schmelzflüssigen Phase setzt darüber hinaus den Reibwiderstand zwischen Schleifkörper und Werkstück herab und mindert die Trenn- und Scherkräfte zwischen diesen.
Die Standzeit der erfindungsgemäßen Trenn- oder Schleifkörper ist im Vergleich zu Standardtrennkörpern des Standes der Technik mit vergleichbarer Härte deutlich höher, wobei eine reduzierte thermische Belastung der zu bearbeitenden Werkstoffe zu beobachten ist. Dies führt u.a. dazu, dass in weiterer Folge wesentliche Einsparungen der Prozesskosten aufgrund der geringeren Umrüsthäufigkeit zu erwarten sind.
Als weitere Konsequenz bewirkt ein geringerer logistischer
Aufwand (z.B. Lagerstand, Lieferhäufigkeit) einen wirtschaftlichen Vorteil. Somit ist das
Preis/Leistungsverhältnis der entsprechenden Trenn- oder Schleifkörper gegenüber Standardprodukten um ein vielfaches höher.
Im allgemeinen können Trenn- oder Schleifkörper prozessbedingt nicht vollständig genutzt werden. In Abhängigkeit von der Verwendung müssen 20 bis 50% des Durchmessers des Trenn- oder Schleifkörpers verworfen und entsorgt werden. Durch die erhöhte Standzeit der erfindungsgemäßen Trenn- oder Schleifkörper sinkt die zu entsorgende Abfallmenge im Bereich von einem Drittel bis ca. zur Hälfte der Abfallmenge der Trenn- oder Schleifkörper des Standes der Technik. Aufgrund der höheren Lebensdauer der Trenn- oder Schleifkörper verringert sich die Menge der zu entsorgenden Trenn- und/oder Schleifstäube, welche sich aus dem zu bearbeitenden Werkstoff (Trennspäne) und dem Abrieb der verwendeten Trenn- oder Schleifkörper zusammensetzen.
Ein weiteres Problem, das die erfindungsgemäßen Trenn- oder Schleifkörper im Vergleich zu den Trenn- oder Schleifkörpern des Standes der Technik gelöst haben, betrifft die Lagerstabilität solcher Systeme.
Standardtrennkörper mit den bisher eingesetzten Füllstoffen sind aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften der zum Einsatz kommenden Füllstoffe (z.B. Manganchlorid) nicht lagerstabil.
Die mögliche Lagerzeit erfindungsgemäßer Trenn- oder Schleifkörper orientiert sich nunmehr an der Beständigkeit des organischen Bindemittels.
Die mechanischen Eigenschaften wie z.B. die mechanische Festigkeit dieser Standardtrennkörper sind nach einer gewissen Lagerzeit durch den Einfluss von Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit nicht mehr anforderungskonform. Diese Standardtrennkörper dürfen aus sicherheitstechnischen Gründen nicht mehr verwendet werden, da vor Erreichen einer definierten Umfangsgeschwindigkeit z.B. bei einer Trenn- oder Schleifscheibe mit einem Scheibenbruch zu rechnen ist.
Die Trenn- oder Schleifkörper mit den erfindungsgemäßen teilchenförmigen funktionellen Füllstoffen sind dagegen unbegrenzt lagerstabil, da sie gegenüber Luftfeuchtigkeit und TemperaturSchwankungen unempfindlich sind. Dies führt zu einer wesentlich höheren Effizienz der Trenn- oder Schleifkörpern und zu verringerten Kosten.
Der erfindungsgemäße funktionelle Füllstoff ist zudem aufgrund der verwendeten Materialien ungiftig. Es müssen daher weder beim Anwender noch bei der Fertigung der Trenn¬ oder Schleifkörper entsprechende Sicherheitsmaßnahmen getroffen oder eingehalten werden.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines organisch gebunden Trenn- oder Schleifkörpers mit dem erfindungsgemäßen teilchenförmigen funktionellen Füllstoff.
Dazu wird zunächst der Abrasivstoff mit einem Flüssigharz benetzt und danach zusammen mit einem Gemisch bestehend aus zumindest einem teilchenförmigen funktionellen Füllstoff und zumindest einem Bindemittel gemischt. Bei diesem Mischprozess wird der Abrasivstoff mit der Mischung aus Bindemittel und teilchenförmigem funktionellen Füllstoff beschichtet, und es wird eine verarbeitbare plastische Schleifkörpermasse erhalten. Die Fertigung des Gemisches aus Bindemittel und funktionellem Füllstoff erfolgt zuvor in einem separaten Mischer, wobei bei diesem Mischvorgang das Pulverharz und der Füllstoff homogenisiert werden. Wahlweise können die Schritte der Benetzung des Abrasivstoffes mit einem Flüssigharz und die Vermischung des mit Bindemittel benetzten funktionellen Füllstoffs mit besagtem benetzten Abrasivstoff wiederholt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zunächst eine Mischung aus einem teilchenförmigen Abrasivstoff und zumindest einem teilchenförmigen funktionellen Füllstoff mit einem Flüssigharz benetzt. In einem anschließenden Schritt wird nun das Bindemittel hinzu gegeben und die so entstandene Mischung vermischt, wobei eine verarbeitbare Schleifkörpermasse ausgebildet wird. Dies hat zur Folge, dass sich der Großteil des Füllstoffes in unmittelbarer Nähe des Schleifkorns befindet.
Die nach den oben beschriebenen Verfahren hergestellten Schleifkörpermassen werden abhängig vom Anwendungsfall mit oder ohne zusätzliche Verstärkungselemente (Glasfasermatten als Armierung, etc.) mit unterschiedlichen Pressdrücken zu Trenn- oder Schleifkörperrohlingen verpresst und in separaten Härtekammern in einem Temperaturbereich von 1500C bis 2500C ausgehärtet.
Die erfindungsgemäßen Trenn- oder Schleifkörper werden dabei über einen Zeitraum von 12 bis 76 Stunden, bevorzugt 20 bis 60 Stunden, am bevorzugtesten innerhalb von 24 Stunden ausgehärtet.
Bei der Kaltpresstechnologie werden zum Pressen Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur verwendet, wohingegen die Heißpresstechnologie bei Temperaturen zwischen 150 und 2500C, bevorzugt zwischen 150 und 2200C und am bevorzugtesten zwischen 160 und 2000C durchgeführt wird. Gemäß eines der oben genannten Verfahren kann als funktioneller teilchenförmiger Füllstoff Mischungen von Metallen oder deren Legierungen in Pulverform mit einer Teilchengröße von kleiner 70 μm, bevorzugt kleiner 60 μm und am bevorzugtesten kleiner 45 μm eingesetzt werden.
Als Bindemittel wird in den Verfahren der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Gemisch aus flüssigen und pulverförmigen Phenolharzen eingesetzt.
Als Flüssigharz finden Phenolharze, bevorzugt Resole sowie Furfurol und Furfural Verwendung.
Die nach dem voran beschriebenen Verfahren hergestellten Trenn- oder Schleifkörper können herstellungsbedingt bis zu 30 Vol.-% an Poren enthalten, in der Regel bis zu 25 Vol.-%. Unter Poren versteht man die eingeschlossenen Hohlräume, die sich zwischen dem Schleifkorn (Abbrasivstoff) und dem sie umgebenden Gemisch aus Bindemittel und funktionellem Füllstoff vorhanden sein können.
Die erfindungsgemäßen Trenn- oder Schleifkörper werden dabei so hergestellt, dass funktionelle Füllstoffe (z.B. Kryolith und andere halogen-, eisen- und schwefelhaltigen Füllstoffe) gemäß des Standes der Technik durch die erfindungsgemäßen funktionellen Füllstoffe direkt ersetzt werden können, ohne dass das Verfahren zu deren Herstellung verändert und modifiziert werden muss.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann in einem der oben genannten Verfahren zusätzlich zum funktionellen Füllstoff ein inaktiver Füllstoff bei der Herstellung der organisch gebundenen Trenn- oder Schleifkörper verwendet werden. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst zudem die Verwendung einer Pulvermischung oder Legierung von zumindest zwei Metallen als funktioneller Füllstoff bei der Herstellung von Trenn- oder Schleifkörpern, wobei die mindestens zwei Metalle eine schmelzflüssige Phase in einem Temperaturbereich von 100 bis 3000C bilden.
Die vorliegende Erfindung soll anhand von nicht einschränkenden Beispielen im folgenden näher veranschaulicht werden.
Beispiele:
Sämtliche hier angeführten Trennscheiben wurden unter standardisierten Bedingungen gefertigt und getestet, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.
Beispiel 1 In den folgenden Untersuchungen wurden 2 Rezepturen A und B verwendet (siehe Tabelle 1), die nach den allgemeinen
Fertigungsvorschriften, wie oben erwähnt, hergestellt wurden.
Tabelle 1
Figure imgf000018_0001
Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Trennscheiben im Vergleich zu einer Referenztrennscheibe wurde der G-Faktor berechnet und das Schnittverhalten optisch beurteilt. Der Leistungsfaktor (G-Faktor) ist der Quotient aus getrennter Werkstücksfläche und verbrauchter Scheibenfläche und ist eine dimensionslose Kennzahl.
Tabelle 2 enthält die standardisierten Trennparameter. Für Vergleichsuntersuchungen wurden Trennscheiben mit 400 mm Durchmesser und 4 mm Stärke herangezogen. Als Werkstück wurde Edelstahl V500SP oder Baustahl ST 37 verwendet. Nach Abschluss des Trennversuchs wurde der G-Faktor bestimmt und die Werkstoffoberfläche des letzten Schnitts beurteilt.
Tabelle 2 - Trennparameter
Figure imgf000019_0001
Die Prüfungen wurden an folgender Einrichtung durchgeführt:
Prüfstand Fa. Braun, TS 426 SV Leistung 29 kW Max. Drehzahl 6000 U/min
Aus den unten angeführten Ergebnissen (Tabellen 3 bis 5) ist ersichtlich, dass die Lebensdauer herkömmlicher Trennscheiben unter vergleichbaren Bedingungen durch Verwendung des erfindungsgemäßen funktionellen Füllstoffes deutlich verbessert werden konnte. Zudem zeigen sich die überlegenen Eigenschaften gegenüber den Standardtrennscheiben Tabelle 3 - Ergebnisse der Trennversuche mit der Trennscheibenrezeptur A
Figure imgf000020_0001
Tabelle 4 - Ergebnisse der Trennversuche mit der Trennscheibenrezeptur B
Figure imgf000020_0002
Tabelle 5 - Ergebnisse der Trennversuche an Baustahl ST 37 (Rezeptur B)
Figure imgf000020_0003

Claims

Ansprüche :
1. Ein organisch gebundener Trenn- oder Schleifkörper, der umfasst : a. mindestens ein Bindemittel; b. mindestens einen teilchenförmigen Abrasivstoff; c. mindestens einen teilchenförmigen funktionellen Füllstoff; wobei das Bindemittel den teilchenförmigen Abrasivstoff und den teilchenförmigen funktionellen Füllstoff umschließt und wobei der funktionelle Füllstoff mindestens zwei Metalle umfasst, die eine schmelzflüssige Phase in einem Temperaturbereich von 100 bis 3000C bilden.
2. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach Anspruch 1, der umfasst: a) 3 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 15 Gew.-% mindestens eines Bindemittels; b) 50 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 80 Gew.-% mindestens eines teilchenförmigen Abrasivstoffes; c) 1 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 25 Gew.-% mindestens eines teilchenförmigen funktionellen Füllstoffes, und d) gegebenenfalls bis zu 15 Gew.-% eines inaktiven
Füllstoffes.
3. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der funktionelle Füllstoff zwei bis sieben Metalle umfasst, die eine schmelzflüssige Phase in einem Temperaturbereich von 100 bis 3000C bilden.
4. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metalle eine schmelzflüssige Phase in einem Temperaturbereich von 115 bis 2500C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 130 bis 2200C bildet.
5. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die schmelzflüssige Phase mindestens ein Eutektikum aufweist.
6. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach Anspruch 5, wobei das Eutektikum eine eutektische Temperatur im Bereich von 1300C bis 2200C aufweist.
7. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der funktionelle Füllstoff zumindest Zinn und/oder Wismut enthält.
8. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach
Ansprüche 7, wobei der funktionelle Füllstoff Zinn und 1 bis 6 weitere Metalle enthält, die unabhängig aus der ersten oder zweiten Hauptgruppe des Periodensystems
(IUPAC) oder aus Bi, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Ni, Cu, Ag, Zn und Al ausgewählt werden, wobei alle Metalle des funktionellen Füllstoffs zusammen 100 Gewichtsprozent ergeben.
9. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach Ansprüche 7, wobei der funktionelle Füllstoff das Metallsystem SnxBiy und 1 bis 5 weitere Metalle umfasst, wobei x eine ganze Zahl zwischen 1 und 99 ist und y eine ganze Zahl zwischen 99 und 1 ist und jedes der optional 1 bis 5 weiteren Metalle in einem Prozentsatz von 0 bis 99 enthalten sein kann, wobei alle Metalle des funktionellen Füllstoffs zusammen 100 Gewichtsprozent ergeben.
10. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der funktionelle Füllstoff eine Teilchengröße von kleiner 70 μm, bevorzugt kleiner 60 μm und am bevorzugtesten kleiner
45 μm hat.
11. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abrasivstoff aus der Gruppe, die aus Diamant, Korund, Siliciumcarbid, Bornitrid, Hartkeramiken, metallischen Hartstoffen oder keramischen Hartstoffen und Mischungen davon besteht, bevorzugt mit einer Korngröße von 50 bis 1000 μm ausgewählt wird.
12. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel ein organisches Bindemittel, bevorzugt ein Phenolharz, bevorzugter ein Phenol-Formaldehydharz ist.
13. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der inaktive Füllstoff aus der Gruppe, die aus Erdalkalicarbonaten, Tonen, Silikaten, Oxiden, Carbiden und Mischungen davon besteht, ausgewählt wird.
14. Der organisch gebundene Trenn- oder Schleifkörper nach Anspruch 13, wobei der inaktive Füllstoff aus der Gruppe, die aus Calciumcarbonat, Kaolin, Calciumoxid, Alumosilikaten, Feldspäten, Kieselerde und Glas besteht, ausgewählt wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines organisch gebundenen Trenn- oder Schleifkörpers nach einem der Ansprüche Anspruch 1 bis 14, das umfasst: a) Mischen zumindest eines Bindemittels mit zumindest einem teilchenförmigen funktionellen
Füllstoff; b) Benetzen des zumindest einen teilchenförmigen Abrasivstoffes mit einem Flüssigharz; c) Vermischen der Mischung aus Schritt a) mit dem mit Flüssigharz beschichteten Abrasivstoff aus
Schritt b) ; d) Verpressen der Mischung aus Schritt c) zu einem Trenn- oder Schleifkörperrohling; und e) Aushärten des Schleifkörperrohlings aus Schritt d) in einem Temperaturbereich von 150° bis 2500C über einen Zeitraum von 12 bis 76 Stunden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Schritte b) und c) vor Beginn des Schrittes d) mindestens einmal wiederholt werden.
17. Verfahren zur Herstellung eines organisch gebundenen Trenn- oder Schleifkörpers nach einem der Ansprüche Anspruch 1 bis 14, das umfasst: a) Benetzen einer Mischung aus dem zumindest einen teilchenförmigen Abrasivstoff und dem zumindest einen teilchenförmigen funktionellen Füllstoff mit einem Flüssigharz; b) Zugabe des zumindest einen Bindemittels; c) Vermischen der Mischung aus Schritt b) ; d) Verpressen der Mischung aus Schritt c) zu einem Trenn- oder Schleifkörperrohling; und e) Aushärten des Schleifkörperrohlings aus Schritt d) in einem Temperaturbereich von 150° bis 2500C über einen Zeitraum von 12 bis 76 Stunden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Aushärten der Trennscheiben bei Temperaturen zwischen 150 und 2200C und am bevorzugtesten zwischen 160 und 2000C durchgeführt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei als funktioneller teilchenförmiger Füllstoff Mischungen von Metallen oder deren Legierungen in Pulverform mit einer Teilchengröße von kleiner 70 μm, bevorzugt kleiner 60 μm und am bevorzugtesten kleiner 45 μm eingesetzt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei als Bindemittel ein Gemisch aus flüssigen Phenolharzen und pulverförmigen Phenolharzen eingesetzt wird.
21. Verwendung einer Pulvermischung oder Legierung von zumindest zwei Metallen als funktionellen Füllstoff bei der Herstellung von Trenn- oder Schleifkörpern, wobei die mindestens zwei Metalle eine schmelzflüssige Phase in einem Temperaturbereich von 100 bis 3000C bilden.
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